DE19703295A1 - Verfahren zur Regelung der Temperatur einer Katalysatoranordnung sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Regelung der Temperatur einer Katalysatoranordnung sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Tempe­ ratur einer Katalysatoranordnung in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors mit einer in der Katalysatoranordnung vorgesehenen Stickoxidfalle und mit einer Einrichtung zur Veränderung der Abgastemperatur sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Der Einsatz einer Katalysatoranordnung mit einem konventio­ nellen Dreiwegekatalysator und einer Stickoxidfalle (NOx-Trap) erfolgt bevorzugt bei Kraftfahrzeugen, deren Verbrennungsmo­ tor für einen kraftstoffsparenden Magerbetrieb ausgelegt ist (sog. lean burn engine). Die Stickoxidfalle verringert insbe­ sondere im Magerbetrieb auftretende Stickoxidemissionen, in­ dem Stickoxidmoleküle an der Beschichtung der Falle angela­ gert und somit aus dem Abgas entfernt werden. Wenn die Auf­ nahmekapazität der Stickoxidfalle erschöpft ist, wird die Stickoxidfalle regeneriert, wobei die Stickoxide chemisch u. a. zu N2 umgesetzt werden.
Die bekannten Stickoxidfallen weisen den Nachteil einer im Vergleich zu Dreiwegekatalysatoren geringeren Effizienz auf. Ein Dreiwegekatalysator vermindert die Schadstoffemissionen um typischerweise 90 bis 95%; die verfügbaren Stickoxidfallen erreichen dagegen nur Stickoxidreduktionen von typischerweise 60 bis 70%.
Eine wichtige Einflußgröße auf die Effizienz der Katalysato­ ranordnung ist die Temperatur. Da die Abgastemperatur am Ver­ brennungsmotor in einem Bereich von etwa 200 bis 1000°C vari­ iert, sind verschiedene Lösungsansätze bekannt, die Tempera­ tur des in den Katalysator strömenden Abgases zu beeinflus­ sen, beispielsweise mittels in Strömungsrichtung vor der Ka­ talysatoranordnung angeordneter und durch ein Stellglied ab­ sperrbarer Kühlschleifen in den Abgasleitungen, mittels einer zu einer geringeren Abgastemperatur führenden künstlichen Überfettung des Luft-Kraftstoffgemisches oder mittels elektrischer Beheizung der Katalysatoranordnung. Es ist bekannt, mittels dieser Vorrichtungen zur Veränderung der Abgastemperatur die Temperatur eines Dreiwegekatalysators so zu regeln, daß der Katalysator in einem bestimmten Betriebstemperaturbereich arbeitet und vor Überhitzung geschützt wird. Die bekannten Regelungen gewährleisten jedoch nicht den optimalen Betrieb einer zusätzlich in der Katalysatoranordnung angeordneten Stickoxidfalle, da die bekannten Stickoxidfallen nur in einem im Vergleich zum Dreiwegekatalysator relativ engen Temperaturbereich effizient arbeiten. Auch ist bei bekannten Regelungen eine Überhitzung der Stickoxidfalle unter ungünstigen Betriebsbedingungen nicht ausgeschlossen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine optimale Ausnutzung des Wirkungsgrads der Stickoxidfalle er­ reicht und eine Überhitzung der Stickoxidfalle verhindert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Temperatur der Stickoxidfalle bestimmt wird und die Katalysatoranordnung über die Einrichtung zur Veränderung der Abgastemperatur in einem dem optimalen Wirkungsgrad der Stickoxidfalle entsprechenden Temperaturbereich betrieben wird. Der optimale Temperaturbereich bei bekannten Stickoxid­ fallen liegt im Bereich von typischerweise etwa 250 bis 450°C. Der optimale Temperaturbereich für den Betrieb eines Dreiwegekatalysators ist allgemein wesentlich größer, auch ist dieser gegenüber kurzfristigen Überhitzungen nicht so empfindlich wie die Stickoxidfalle. Es ist deshalb besonders vorteilhaft, daß als Eingangsgröße der Temperaturregelung die Temperatur der Stickoxidfalle und nicht die des einströmenden Abgases oder die Temperatur des Dreiwegekatalysators herange­ zogen wird.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der Betrieb im optimalen Wirkungsbereich der Stickoxidfalle über eine PI-Regelung mit der Temperatur der Stickoxidfalle als Eingangsgröße und einer Ausgangsgröße zur Beeinflussung der Einrichtung zur Veränderung der Ab­ gastemperatur erfolgt. Dabei kann es sich entweder um eine kontinuierliche oder um eine diskrete (z. B. Ein/Aus-Befehl) Ausgangsgröße handeln. Durch ein Ein/Aus-Signal kann bei­ spielsweise eine Klappe angesteuert werden, durch die das Ab­ gas wahlweise über eine Kühlschleife geführt wird.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Bestimmung der Temperatur der Stickoxidfalle über eine Abgastemperaturmessung in räumlicher Nähe der Stickoxidfalle erfolgt. Dies ist zweckmäßig, weil eine Tempe­ raturmessung auf der Oberfläche der Stickoxidfalle schwie­ riger durchzuführen ist.
Die in räumlicher Nähe der Stickoxidfalle gemessene Abgastem­ peratur entspricht nur näherungsweise der Temperatur der Stickoxidfalle. Deshalb kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Bestimmung der Temperatur der Stickoxidfalle über ein Temperaturmodell erfolgen, also durch ein mathemati­ sches Modell des Wärmehaushalts des Katalysators.
Das Temperaturmodell kann als Eingangsgrößen den Abgasmassen­ strom, die Wärmekapazitäten und Wärmeübergangskoeffizienten der Komponenten der Katalysatoranordnung, die Umgebungslufttemperatur und die Fahrgeschwindigkeit eines den Verbrennungsmotor aufweisenden Kraftfahrzeuges enthalten.
Weiterhin kann vorgesehen sein, daß das Temperaturmodell als Eingangsgröße zusätzlich eine in räumlicher Nähe der Kataly­ satoranordnung gemessene Abgastemperatur enthält. Aufgrund dieser gemessenen Temperatur und des Temperaturmodells kann die jeweilige Temperatur der Stickoxidfalle vorhergesagt werden. Bei genügender Verfeinerung des Temperaturmodells ist es grundsätzlich auch möglich, auf eine Temperaturmessung zu verzichten.
Im Hinblick auf eine effektive Abgasreinigung ist es erstre­ benswert, daß die Stickoxidfalle nach dem Start des Verbren­ nungsmotors möglichst schnell die Betriebstemperatur er­ reicht. Hierzu kann vorgesehen sein, daß die Einrichtung zur Veränderung der Abgastemperatur nach dem Start des Verbren­ nungsmotors bis zum Erreichen vorherbestimmter Bedingungen in einem Anspringmodus (light-off-mode) betrieben wird, in dem eine möglichst schnelle Aufheizung der Stickoxidfalle in einen Bereich optimalen Wirkungsgrads erreicht wird. Im An­ springmodus werden die Einrichtungen zur Veränderung der Ab­ gastemperatur in Hinblick auf eine maximale Aufheizungsrate angesteuert, ohne daß eine Rückkopplungsregelung erfolgt. Der Anspringmodus kann bei Erreichen einer Mindesttemperatur oder nach Verstreichen einer vorgegebenen Zeit beendet werden.
Bei hohen Drehmomentanforderungen wird der Magerbetriebsmodus eines Verbrennungsmotors üblicherweise verlassen; stattdessen erfolgt ein Betrieb mit stöchiometrischem oder leicht fettem Gemisch. Dabei kann eine effiziente Abgasreinigung auch al­ lein durch den Dreiwegekatalysator erfolgen, so daß die Ein­ haltung des optimalen Temperaturbereichs der Stickoxidfalle nicht zwingend erforderlich ist, solange diese nicht über­ hitzt wird. Deshalb kann in weiterer Ausgestaltung der Erfin­ dung vorgesehen sein, daß eine Regelung der Abgastemperatur in einem dem optimalen Wirkungsgrad der Stickoxidfalle ent­ sprechenden Temperaturbereich erfolgt, falls der Verbren­ nungsmotor mit einem mageren Luft-/Kraftstoffgemisch be­ trieben wird, und daß eine Regelung der Abgastemperatur in einem dem optimalen Wirkungsgrad des Katalysators ent­ sprechenden und eine Beschädigung der Stickoxidfalle ver­ meidenden Temperaturbereich erfolgt, falls der Verbren­ nungsmotor mit einem stöchiometrischen oder fetten Luft- /Kraftstoffgemisch betrieben wird.
Die Abgastemperaturveränderung kann erfindungsgemäß durch se­ lektives Führen der Abgase vom Verbrennungsmotor zur Kataly­ satoranordnung über verschiedene Abgaswege, in denen unter­ schiedliche Abgastemperaturverluste auftreten, bewirkt wer­ den. Die verschiedenen Abgaswege können mittels eines oder mehrerer Ventile abhängig vom Ausgangssignal der Regeleinheit geöffnet oder geschlossen werden. Diese Art der Temperatur­ veränderung ist besonders vorteilhaft gegenüber der bekannten Überfettung des Gemisches zum Abkühlen des Abgases, weil diese Art der Temperaturveränderung den Kraftstoffverbrauch nicht negativ beeinflußt. Außerdem ist damit eine schnelles Aufheizen der Katalysatoranordnung (gutes Anspringverhalten) und eine genaue Regelung der Stickoxidfallentemperatur möglich.
Weiterhin kann vorgesehen sein, daß ein Testmodus zum Testen der Funktionsfähigkeit der Regelung der Temperatur einer Katalysatoranordnung durch eine Modulation der die Ein­ richtung zur Veränderung der Abgastemperatur beeinflussenden Größe und Feststellen der Wirkung dieser Modulation durch Messung der Abgastemperatur in räumlicher Nähe der Katalysa­ toranordnung vorgesehen ist.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Katalysatoranordnung in der Abgasanlage eines Verbrennungsmo­ tors mit einer in der Katalysatoranordnung vorgesehenen Stickoxidfalle, mit einer Einrichtung zur Veränderung der Ab­ gastemperatur und mit einer Regeleinrichtung ist gekennzeich­ net durch eine Einrichtung zur Bestimmung der Temperatur der Stickoxidfalle.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispiel­ haft erläutert.
Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens.
Ein Verbrennungsmotor 1 eines nicht dargestellten Kraftfahr­ zeuges steht mit einer elektronischen Motorsteuerung 7 in Verbindung. Die elektronische Motorsteuerung empfängt in be­ kannter Weise eine Vielzahl von Sensorausgangssignalen, wie z. B. die aktuelle Motordrehzahl oder Informationen, aus der sich das aktuell gewünschte Drehmoment berechnen läßt. Aus diesen Informationen berechnet die Motorsteuerung das erfor­ derliche Luft-/Kraftstoffverhältnis, welches mager, stöchio­ metrisch oder fett sein kann. Das ermittelte Luft- /Kraftstoffverhältnis wird mittels (nicht dargestellter), dem Verbrennungsmotor 1 zugeordneter Kraftstoffdosiereinrich­ tungen bzw. mittels einer (ebenfalls nicht dargestellten) elektronischen Drosselklappe eingestellt. Die beim Verbrennungsprozeß entstehenden Abgase werden über einen Ab­ gaskrümmer und eine Abgasleitung einer Katalysatoranordnung 3 zugeführt. In der Abgasleitung ist eine Einrichtung 2 zur Veränderung der Abgastemperatur angeordnet. Die Einrichtung 2 weist zwei unterschiedliche interne Abgaswege, in denen unterschiedliche Wärmeverluste des Abgases auftreten, auf. Die elektronische Motorsteuerung 7 steuert über ein Stell­ glied und ein der Einrichtung 2 zugeordnetes Ventil, auf wel­ chem Weg das Abgas durch die Einrichtung 2 strömen soll und somit die Temperatur des der Katalysatoranordnung 3 zugeführ­ ten Abgases. Die Katalysatoranordnung weist einen Dreiwegeka­ talysator 4 und eine nachgeschaltete Stickoxidfalle 5 auf. Im Abgasstrom zwischen Dreiwegekatalysator 4 und Stickoxidfalle 5 ist ein Temperatursensor 6 angeordnet. Die Motorsteuerung 7 erhält über den Temperatursensor 6 ein Signal, das ein Maß für die Abgastemperatur in der Nähe der Stickoxidfalle dar­ stellt. Die Motorsteuerung 7 berechnet anhand eines Tempera­ turmodells der Katalysatoranordnung 3 die tatsächliche Tem­ peratur der Stickoxidfalle 5, wobei neben der bei 6 gemesse­ nen Abgastemperatur der Abgasmassenstrom, die Wärmekapazitä­ ten und Wärmeübergangskoeffizienten der Komponenten der Katalysatoranordnung, die Umgebungslufttemperatur und die Fahrgeschwindigkeit berücksichtigt werden. Mittels eines softwaremäßig implementierten PI-Regelglieds regelt die Motorsteuerung 7 die Abgastemperatur über die Einrichtung 2 abhängig von der Temperatur der Stickoxidfalle 5 so, daß die Stickoxidfalle in einem Temperaturfenster mit optimalem Wir­ kungsgrad betrieben wird, wenn der Verbrennungsmotor 1 mit einem mageren Gemisch betrieben werden soll. Bei stöchiome­ trischem oder fettem Betrieb erfolgt dagegen eine Regelung der Abgastemperatur in einem dem optimalen Wirkungsgrad des Dreiwegekatalysators entsprechenden und eine Beschädigung der Stickoxidfalle vermeidenden Temperaturbereich. In einem An­ springmodus erfolgt zwecks möglichst schnellen Aufheizens der Katalysatoranordnung eine rückkopplungslose Steuerung der Einrichtung 2 zur Veränderung der Abgastemperatur. Weiterhin ist ein Testmodus vorgesehen, in dem die Funktionsfähigkeit der Regelung überprüft wird. Dazu wird das Ventil in der Ein­ richtung zur Regelung der Abgastemperatur gemäß einer Test­ funktion geöffnet und geschlossen. Mittels der Motorsteuerung 7 wird überprüft, ob dies zu zeitlich korrelierten Schwankun­ gen der Temperatur bei 6 führt. Ist dies nicht der Fall, wird eine Fehlfunktion angezeigt.

Claims (11)

1. Verfahren zur Regelung der Temperatur einer Katalysatoranordnung (3) in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors (1) mit einer in der Katalysatoranord­ nung vorgesehenen Stickoxidfalle (5) und mit einer Ein­ richtung zur Veränderung der Abgastemperatur (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Stickoxidfalle be­ stimmt wird und die Katalysatoranordnung über die Ein­ richtung zur Veränderung der Abgastemperatur in einem dem optimalen Wirkungsgrad der Stickoxidfalle entsprechenden Temperaturbereich betrieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrieb im optimalen Wirkungsbereich der Stickoxid­ falle über eine PI-Regelung mit der Temperatur der Stickoxidfalle als Eingangsgröße und einer Ausgangsgröße zur Beeinflussung der Einrichtung zur Veränderung der Ab­ gastemperatur erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Temperatur der Stickoxidfalle über eine Abgastemperaturmessung in räumlicher Nähe der Stickoxidfalle (5) erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bestimmung der Temperatur der Stickoxidfalle (5) über ein Temperaturmodell erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturmodell die Eingangsgrößen Abgasmassenstrom, Wärmekapazitäten und Wärmeübergangskoeffizienten der Kom­ ponenten der Katalysatoranordnung, Umgebungslufttempe­ ratur und Fahrgeschwindigkeit eines den Verbrennungsmotor aufweisenden Kraftfahrzeuges enthält.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturmodell als Eingangsgröße zusätzlich eine in räumlicher Nähe der Katalysatoranordnung gemes­ sene Abgastemperatur enthält.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einrichtung (2) zur Veränderung der Abgastemperatur nach dem Start des Verbrennungsmotors (1) bis zum Erreichen vorherbestimmter Bedingungen in einem Anspringmodus betrieben wird, in dem eine möglichst schnelle Aufheizung der Stickoxidfalle (5) in einen Be­ reich optimalen Wirkungsgrads erreicht wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Regelung der Abgastemperatur in einem dem optimalen Wirkungsgrad der Stickoxidfalle (5) entsprechenden Temperaturbereich erfolgt, falls der Verbrennungsmotor (1) mit einem mageren Luft- /Kraftstoffgemisch betrieben wird, und daß eine Regelung der Abgastemperatur in einem dem optimalen Wirkungsgrad des Katalysators (4) entsprechenden und eine Beschädigung der Stickoxidfalle vermeidenden Temperaturbereich erfolgt, falls der Verbrennungsmotor mit einem stöchiome­ trischen oder fetten Luft-/Kraftstoffgemisch betrieben wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abgastemperaturveränderung durch selektives Führen der Abgase vom Verbrennungsmotor (1) zur Katalysatoranordnung (3) über verschiedene Abgaswege, in denen unterschiedliche Abgastemperaturverluste auftre­ ten, bewirkt wird.
10. Verfahren insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Testmodus zum Testen der Funktionsfähigkeit der Regelung der Temperatur der Katalysatoranordnung (3) durch Modulation der die Ein­ richtung (2) zur Veränderung der Abgastemperatur beeinflussenden Größe und Feststellen der Wirkung dieser Modulation durch Messung der Abgastemperatur in räumli­ cher Nähe der Katalysatoranordnung vorgesehen ist.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einer Katalysatoranordnung (3) in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors (1) mit einer in der Katalysatoranordnung vorgesehenen Stickoxidfalle (5), mit einer Einrichtung (2) zur Veränderung der Ab­ gastemperatur und mit einer Regeleinrichtung (7), gekenn­ zeichnet durch eine Einrichtung zur Bestimmung der Tempe­ ratur der Stickoxidfalle.
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